数据通信原理期末总复习

数据信号的三种基本传输方式：基带传输、频带传输和数字数据传输。

• 基带传输：直接在电缆信道上传输基带数据信号(数据终端输出的未调制变换数据信号)。

• 频带传输：调制基带数据信号后，将其频率转移到相应的负载频率带进行传输（模拟信号在频率带传输时传输到信道）。

• 数字数据传输：是利用PCM信道传输数据信号，即利用PCM30/32路系统的某些间隙传输数据信号。

定义数据通信：依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息，它可实现计算机与计算机，计算机与终端或终端与终端之间的数据信息传递。数据通信的终端设备（产生的是数据信号）可以是计算机 ，也可能是除计算机以外的一般数据终端，简称数据终端或终端。

无论信道上的信号形式如何，数据通信都强调信源信号的形式。

数据通信系统的基本组成： 构成数据通信系统：数据终端设备、数据电路、中央计算机系统。

数据电路概念：位于数据电路DTE它与计算机系统的功能是为数据通信提供传输通道。二进制1或0的数据信号收发在数据电路的两端，数据传输电路应保证DTE数据信号发送到计算机系统和计算机系统DTE。数据电路由传输信道及其两端的数据电路终端设备（DCE）组成。

传输信道：包括通信线路和通信设备（可分为模拟通信设备和数字通信设备）。传输信道可分为模拟信道和数字信道，传输模拟信号，传输数字信号。

DTE由数据输入设备、数据输出设备、传输控制器组成。

• 传输控制器其功能是完成错误控制、终端连续控制等各种传输控制。

DCE是DTE接口设备与传输口设备。当数据信号采用不同的传输方式时，DCE不同的功能。

• 基带传输时，DCE是对来自DTE即使数据信号适合在电缆信道中传输，数据信号也会发生一些变化，使信号功率谱适合信道。
• 频带传输时，DCE具体来说，调制器是调制器和调制器的组合。发送时，调制器调制数据信号，将其频带移动到相应的负载频带进行传输。接收时，解调器解调，将模拟信号还原为数据信号。（注意：数据电路内的传输信道不一定是数字信号的形式)
• 传输数字数据时，DCE它是一个数据服务单元，其功能是消除信号中的直流成分，防止编码、信号再生和定时等。

数据链路概念：数据电路和数据传输控制功能构成数据链路。只有建立数据链路，通信双方才能真正有效可靠地进行数据通信。

PCM调制原理：模拟数据–>采样–>量化–>编码–>数字信号 了解信噪比：信噪比是衡量传输系统性能的重要指标之一，用于描述信号传输过程中的损失和噪声干扰。信噪比是指某一点信号功率与噪声功率之比，可表示为：

• 式中，Ps是信号平均功率，Pn是平均噪声功率。信噪比通常是分贝（dB）来表示的。

异步传输：异步传输是每次传输一个字符，每个字符的位置不固定，字符可以连续或单独发送；不发送字符时，连续发送停止信号。异步传输的优点是实现字符同步相对简单，收发双方的时钟信号不需要准确同步。缺点是每个字符增加了起止比特征，降低了信息传输效率。

同步传输：同步传输以固定时钟节拍发送数据信号。在串行数据码流中，每个字符之间的相对位置是固定的。因此，无需在每个字符中添加启动信号和停止信号。只需在一串字符流前添加启动字符，然后在后面添加终止字符，即字符流的开始和结束。

• 同步传输有两种同步方式：字符同步和帧同步。帧同步通常用于同步传输。
• 与异步传输相比，同步传输在技术上更为复杂，但不需要将每个字符单独加起来，止码元作为识别字符的标志，而是在一串字符前后加入标志序列，因此传输效率更高。

有效性指标：

1. 工作速率：通常使用三种不同的定义：调制速率、数据传输速率和数据传输速率。

   • 调制速率：每秒传输信号元的数量，又称波特率，单位为波特（Baud）：

   • 数据传输速率：每秒传输的信息量（每秒传输的二进制码元数），其单位为（bit/s），信息的不确定性越大，信息量就越大。因此，当信号为M电平，即M进制时，传输速率与调制速率之间的关系是

   • 数据传输速率：数据传输系统中的相应设备系统在单位时间内传输 平均比特、字符或码组。

2. 频带利用率：数据信号的传输需要一定的频带。真正衡量数据传输系统有效性的指标是单位频带内的传输效率，即频带利用率： 可靠性指标：可靠性指标用错误率来衡量，数据传输质量的最终指标是错误率。错误率可以定义为多种类型。在数据传输中，通常使用误码率、误字符率和误码组率，分别定义为：

• 误码率=接受错误的比特数/总发送比特数
• 误字符(码组)率=接受错误的字符(码组)数/总发送字符(码组)数

信道容量：信道容量是指信道在单位时间内传输的最大信息量，即信道的最大传输速率。（bit/s）

1. 模拟信道的信道容量的高斯白噪声信道中，模拟信道的信道容量为： 式中，B信道带宽，S/N信号功率与噪声功率之比。
2. 数字信道的信道容量：典型的数字信道是一种稳定、对称、无记忆的离散信道，可以通过二进制或多进制传输。带宽为B的离散无噪音数字信道的最高码元率为2B，因此，无噪声数字信道容量为：

时间重用原理：适用于数字信号

1. 时间重用：利用各种信号在信道上占据不同时间间隔的特征来分离各种信号。具体来说，将时间分为均匀的时间间隔，并在不同的时间间隔内分配各种信号的传输时间，以实现相互分离的目的。时间重用优点：简单，易于大规模集成，不会产生信号间串扰，但时间重用容易产生代码间串扰，信道利用率低于统计时间重用。

2. 统计时间重用：根据用户实际需要动态分配线路资源的方法。统计时间重用的信道利用率较高。

绘制基带数据信号：

1. 单极性不归零信号(不归零信号:NRZ）：

2. 单极性归零信号(归零信号:RZ）：

3. 双极性不归零信号：

4. 双极性归零信号：

5. 差分信号：

6. 多电平信号：

功率谱密度结论：

• 必须存在连续谱
• 在某些情况下，可能没有离散谱
• 绝对值符号为0：P=1/2，G1(f)=-G2(f)

数据信号基带传输：直接传输基带数据信号的方输基带数据信号的方式称为基带传输。

构成基带传输系统：如果信号能量最集中的频率范围与实际信道的传输特性不匹配，则接收端的信号将产生严重的波形失真。基带传输系统模型：

差错控制方式：在数据通信系统中，差错控制方式一般可以分为4种类型：检错重发、前向纠错、混合纠错检错、信息反馈

• 在具体实现检错重发系统时，通常有3种重发方式，即停发等候重发，返回重发和选择重发。

编码效率：

汉明距离与检错和纠错能力的关系：在信道编码中，定义码组中非零码元的数目为码组的重量，简称码重。例如：“010”码组的码重为1，“011”码组的码重为2，把两个码组中对应码位上具有不同二进制码元的个数定义为两码组的距离，简称码距；而在一种编码中，任意两个许用码组间距离的最小值，称为这一编码的汉明距离。

奇偶监督码（理解）：这是一种最简单的检错码，又称奇偶校验码，在数据通信中得到广泛的应用。其编码规则是先将所要传输的数据码元分组，在分组信息码元后面附加1位监督码，使得该码组中信息码和监督码合在一起“1”的个数为偶数（称为偶校验）或奇数（称为奇校验）。

二维奇偶监督码（理解）：二维奇偶监督码检错能力强，又具有一定纠错能力，且实现容易，因而得到广泛的应用。

汉明码：汉明码是一种能够纠正一位错码且编码效率较高的线性分组码。

线性分组码（运算）

• 线性分组码主要性质：
  1. 封闭性
  2. 码的最小距离等于非零码的最小重量

循环码（运算）

报文交换方式的原理：

• 概念：报文交换属于存储-转发交换方式，当用户的报文到达交换机时，先将报文存储在交换机的存储器中，当所需要的输出电路有空闲时，再将该报文发向接收交换机或用户终端。

• 原理：

• 优缺点：

  • 优点：
    1. 可使不同类型的终端设备之间相互进行通信。
    2. 大大提高线路利用率
    3. 用户不需要叫通对方就可以发送报文，所以无呼损
    4. 可实现同文报通信
  • 缺点：
    1. 信息的传输时延大，而且时延的变化也大
    2. 要求报文交换机有高速处理能力，且缓冲存储器容量大，因此交换机的设备费用高。

分组传输的优缺点：

• 优点：
  1. 传输质量高
  2. 可靠性强
  3. 为不同种类的终端相互通信提供方便
  4. 能满足通信实时性要求
  5. 可实现分组多路通信
  6. 经济型好
• 缺点：
  1. 对长报文通信的传输效率比较低
  2. 要求交换机有较高的处理能力

帧中继发展的必要条件：

HDLC帧结构：在高级数据链路控制规程中，在链路上以帧作为传输信息的基本单位，HDLC的帧的基本格式如下：

TCP/IP分层模型：TCP/IP分层模型及与OSI参考模型的对应关系如下：

第一章

1-3

• 传输速率是衡量数据通信系统传输能力的主要指标，传输速率=字符数据位/字符总长度
• 注意：起位和止位各一位

1-5

• 调制速率：N=1/T 单位：bd
• 数据传信速率：R=Nlog2M 单位：bit/s

1-6

• 误码率=接收出现差错的比特数/总的发送比特数

1-7

1-10

• 数据通信网按网络拓扑结构分有网状网与不完全网状网、星形网、树形网和环形网。

第二章

2-1

• “0”差分码中，用相邻前后两个码元电平极性改变来表示码元“0”，相邻前后两个码元电平极性不改变来表示码元“1”
• ”1“差分码中，用相邻前后两个码元电平极性改变来表示码元“1”，相邻前后两个码元电平极性不改变来表示码元“0”
• 曼彻斯特编码，也叫做相位编码是一个同步时钟编码技术，被物理层用来编码一个同步位流的时钟和数据；常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号。
• 曼切斯特编码的每个比特位在时钟周期内只占一半，当传输“1”时，在时钟周期的前一半为高电平，后一半为低电平；而传输“0”时正相反。这样，每个时钟周期内必有一次跳变，这种跳变就是位同步信号。
• 差分曼切斯特编码是曼切斯特编码的改进。它在每个时钟位的中间都有一次跳变，传输的是“1”还是“0”，是在每个时钟位的开始有无跳变来区分的。

2-2和2-3

• 符合奈奎斯特第一准则的基带传输系统：如果符合奈奎斯特第一准则，则|H(f)|应以（fn，0.5）呈奇对称滚降
  1. 奈氏频带fn=2600+（3200-2600）/2 单位：HZ
  2. （码元速率）符号速率Nbd=fs=2fn 单位：Bd
  3. 滚降系数α=(3200-fn)/fn（滚降系数就是比奈圭斯特频点多出的频段部分除以奈圭斯特带宽） 单位：无
  4. 传信速率R=fslog2M（M是指M电平） 单位：bit/s
  5. 传信效率n=R/B
  6. 频带利用率n=2/(1+α)

2-4

• 求增益加权系数或波形y(t)在各采样点的值：（带入值求方程组）

2-5

• B2ASK=2BASK=2*1/T=2fs（注意：双极性（不）归零码功率谱的第一个零点值）
• n=fs/B

2-6

• 相位不连续的2FSK的带宽约为B=2fs+|f1-f0|=(2+h)fs
• 其中h=|f1-f0|/fs称为频移指数

2-7

• 若用于调制的二进制序列是单极性码，称为非抑制载频的2ASK；若应用于调制的是双极性码，称为抑制载频的2ASK

2-8

• fc=2N
  • 在一个码元周期中要画两个载波来示意

2-9

• 多进制正交幅度调制（MQAM）的频带利用率为：

• 滚降低通网络的带宽：B=（1+α）fn

• 总比特率R=fslog2M

• 正交调幅是采用双边带传输，则调制系统带宽应为基带信号带宽的2倍，即

2-10

• 正交调幅是采用双边带传输，则调制系统带宽应为基带信号带宽的2倍，即

• 传信速率R=fslog2M

2-11

• 正交调幅是采用双边带传输，则调制系统带宽应为基带信号带宽的2倍，即

• 传信速率R=fslog2M

2-12

第三章

3-1

• 发送数据序列和接收数据序列中位置相同但码元不同的位置，差错序列该位置的码元为“1”，否则为“0”

3-2

• 差错控制方式：在数据通信系统中，差错控制方式一般可以分为4种类型：检错重发、前向纠错、混合纠错检错、信息反馈
• 检错重发（ARQ）优缺点：
  • 因为ARQ方式在接收端检测到错误后，要通过反向信道发送NAK信号，要求发送端重发，所以需反向信道，实时性差；
  • ARQ方式在信息码后面所加的监督码不多，所以信息传输效率较高
  • 译码设备较简单
• 前向纠错（FEC）优缺点：
  • 纠错方式不需要反向信道，能自动纠错，不要求重发，因而延时小，实时性好
  • 缺点是所选择的纠错码必须与信道的错码特性密切配合，否则很难达到降低错码率的要求
  • 为了纠正较多的错码，译码设备复杂，而要求附加的监督码也较多，传输效率就低
• 混合纠错检错（HEC）优缺点
  • 混合纠错检错方式在实时性和译码复杂性方面是前向纠错和检错重发方式的折中，因而近年来，在数据通信系统中采用较多。
• 信息反馈（IRQ）优缺点
  • 这种方式的优点是不需要纠错、检错的编译器，设备简单
  • 缺点是需要和前向信道相同的反向信道，实时性差
  • 发送端需要一定容量的存储器以存储发送码组，环路时延越大，数据速率越高，所需存储容量越大

3-3

• ACK即是确认字符，在数据通信中，接收站发给发送站的一类传输类控制字符，表示发来的数据已确认无误。

3-4

• 选择重发：发送端表示重发前面的所有N个码组，而是只重发有错误的那一个码组
• 选择重发系统的传输效率最高，但它的成本也最贵，因为它要求较复杂的控制，在发送端和接收端都要求有数据缓存器。

3-5

• 线性分组码 的性质
  • 码的最小距离等于非0码的最小重量

3-6

• 为检测e个错码，要求最小码距为d>=e+1
• 为纠正t个错码，要求最小码距d>=2t+1
• 为纠正t个错码，同时检测e个（e>t）错码，要求最小码距为d>=e+t+1

3-7

• 将信息码序列按行排成方阵，每行后面加一个奇或偶监督编码，即每行为一个奇偶监督码组，但发送时则按列的顺序传输，接收端仍将码元排成与发送端一样的方阵形式，然后按行进行奇偶校验。
• 由于发送端是按列发送码元而不是按码组发送码元，因此把本来可能集中发生在某一个码组的突发错误分散在了方阵的各个码组中，因此可得到整个方阵的行监督，采用这种方法可以发现某一行中所有奇数个错误以及所有长度不大于方阵中的行数的突发错误。

3-10

• 一般来说，若码长为n，信息位数为k，则监督位数r=n-k。如果希望用r个监督位构造出r个监督关系式来指示一位错码的n种可能位置，则要求：

3-11

• 求监督码：

3-12

• 错的位置参考较正子与错码位置表

3-13

• 将表中所给第1码组循环左移一位后得到第2码组，第2码组循环左移一位后得到第3码组，依此类推，第8码组为全0。

3-15